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Einrichtung zur Funktionsprüfung eines Verbrennunysmotors
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Funktionsprüfung eines
Verbrennungsmotors.
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Der Funktionsprüfung von Verbrennungsmotoren kommt sowohl be der Motorenentwicklung
im Rahmen von Versuchsläufen als auch beim Betrieb von in der Praxis eingesetzten
Motoren erhebliche Bedeutung zu. Dies gilt sowohl für Otto- als auch für Dieselmotoren,
auf die die Erfindung sich gleichermaßen bezieht. Die Funktionsprüfung von Verbrennungsmotoren
umfaßt zunächst und in der Regel die Messung und Überwachung mechanischer Größen
wie Drehmoment, Drehzahl und deren gegenseitige Abhängigkeit.
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Diese mechanischen Größen sind jedoch für die Beurteilung des Betriebszustandes
eines Verbrennungsmotors bzw. von Abweichungen vom vorgesehenen Betriebszustand
nur von beschränktem Aussagewert. Soweit sich auf
den Verbrennungsvorgang
beziehende thermodynamische Größen gemessen werden, handelt es sich üblicherweise
nur um gleichsam statische Größen wie Kompression, Zylinderkopftemperatur usw.,
die gleichfalls nur sehr beschränkten Aussagewert haben. Dies gilt auch für die
der Messung noch verhältnismäßig leicht zugängliche Auslaßtemperatur der Verbrennungsgase.
Eine unmittelbare Meßerfassung der für den Verbrennungsvorgang relevanten dynamischen
Größen, und zwar unter normalen Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors, ist
dageyen außerordentlich schwierig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Funktionsprüfung
eines Verbrennungsmotors anzugeben, die es erlaubt, unter normalen Hetriebsbedingungen
eine für die Beurteilung des Betriebszustandes des Verbrennungsmotors geeignete
dynamische Größe unmittelbar zu messen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur betriebsmäßigen
Überwachung des Verbrennungsdrucks in mindestens einem der Brennräume ein Meßgeber
im Brennraum angeordnet und durch eine Meßleitung mit einer außerhalb des Brennraums
vorgesehenen Anzeigeeinrichtung verbunden ist. Die Erfindung beruht zunächst auf
der Einsicht, daß der in den Brennräumen eines Verbrennungsmotors herrschende Verbrennungsdruck
hinsichtlich Größe und zeitlicher Veränderung in Abhängigkeit von den verschiedenen
Arbeitsphasen des Motors eine außerordentlich genaue und vielfältige Indikation
hinsichtlich des Betriebszustandes des Motors zuläßt. Unter dem Verbrennungsdruck
ist dabei im Rahmen der Erfindung nicht die durch übliche lSompressionsmessung erfal3bare
statische Verdichtung zu verstehen. Verbrennungsdruck bezeichnet vielmehr den Druck,
der während der Verbrennung im Brennraum, und zwar insbesondere im ereich der Verbrennungsfront
auftritt. Dieser Verbrennungsdruck wird von den für den Betriebszustand des Verbrennungsmotors
wesentlichen Parametern wie Füllungsgrad, Gemischanreicherung, Ansaugdruck, Verdichtung,
Drehzahl, Zündeinstellung usw. stark beeinflußt und erlaubt daher umgekehrt den
Rückschluß darauf, ob der Verbrennungsmotor sich in einem ordnungsgemäßen
Betriebszustand
befindet.
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Zur Erfassung des Verbrennungsdrucks sieht die Erfindung vor, daß
im Inneren des entsprechenden Brennraums, ggf. in sämtlichen Brennräumen des zu
prüfenden Verbrennungsmotors, ein Meßgeber angeordnet wird, der durch eine Meßleitung
mit einer außerhalb des Brennraums vorgesehenen Anzeigeeinrichtung verbunden ist.
Dabei macht die Erfindung sich weiter die bisher nicht bekannte Tatsache zunutze,
daß eine Messung des Verbrennungsdrucks sich in überraschend einfacher Weise und
ohne die Meßergebnisse verfälschenden Eingriff in den Verbrennungsablauf durchführen
läßt. Dies wird nachfolgend noch im einzelnen erläutert.
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Bei einer hinsichtlich der Ausbildung des Meßgebers besonders zu bevorzugenden
Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Messung des Verbrennungsdrucks unter Ausnutzung
der Tatsache, daß mit der Verbrennung die Ausbildung einer Druckwelle verbunden
ist, die sich bei der Verbrennuny im Brennraum ausbreitet und dabei zur Impulsübertragung
imstande ist. Erfindungsgemäß spricht der Meßgeber auf eine gerichtete Beanspruchung
durch eine Druckwelle, nämlich auf den durch die Druckwelle übertragenen Impuls
an. Ein erfindungsgemäßer Meßgeber spricht damit im Gegensatz zu herkömmlichen Meßgeräten
nicht auf allseitige, sondern auf in einer voyegebenen Richtung wirkende Krafteinwirkung
an, wie dies nachfolgend anhand von Beispielen noch erläutert wird.
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Der Meßgeber kann in jedem Fall einen "Meßgeber" in strengem Sinne
darstellen, d. h. ein Ausgangssignal abgeben, das über einen mehr oder minder großen
Bereich stetig vom Verbrennungsdruck abhängt. Durch besondere Einfachheit, insbesondere
bei der Funktionsprüfung von in der Praxis eingesetzten Verbrennungsmotoren, zeichnet
sich dagegen eine Ausführungsform aus, bei der der Meßgeber als Schaltgeber mit
mindestens einem bei Überschreiten eines vorbestimmten Verbrennungsdrucks entgegen
einer Rückstellkraft betätigbaren Öffnungs- und/oder Schließkontakt ausgeführt ist.
Die Auslösung des öffnungs- bzw. Schließkontakts durch den
Schaltgeber
führt dabei unter Berücksichtigung der wesentlichen, vorstehend aufgeführten Betriebsparameter
zu einer eindeutigen Ja-Nein-Aussage über den Betriebszustand des Verbrennungsmotors.
Beispielsweise kann die Anordnung so getroffen werden, daß bei ordnungsgemäßem Betriebszustand
der Öffnungskontakt zwar geöffnet, der Schließkontakt aber noch nicht geschlossen
ist, während ein unzulässig niedriger bzw. hoher Verbrennungsdruck dadurch angezeigt
werden kann, daß entweder auch der Öffnungskontakt geschlossen bleibt oder auch
der Schließkontakt geschlossen wird.
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Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten sind selbstverständlich möglich.
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In einer hinsichtlich Einfachheit und Robustheit besonders vorteilhaften
Ausführungsform besteht der Meßgeber aus einem Halteglied, aus einer am Halteglied
befestigten Schaltfahne aus elastischem und elektrisch leitfähigem Material und
aus mindestens einem der Schaltfahne zugeordneten Öffnungs- bzw. Schließkontakt.
Die Schaltfahne, die selbstverständlich aus einem Material von entsprechender chemischer
und thermischer Beständigkeit, beispielsweise aus Platin oder einem verwandten Metall,
besteht wird durch die Verbrennungsdruckwelle gleichsam "umgeblasen" wodurch sie
sich ggf. zunächst vom Öffnungskontakt abhebt und bei entsprechendem Verbrennungsdruck
an den Schließkontakt anlegt. Einer der Anschlüsse, beispielsweise das Halteglied,
kann mit dem Motor als Masse elektrisch leitend verbunden sein, während die Meßleitungen
von Öffnungs- bzw. Schließkontakt in nachfolgend erläuterter Weise isoliert durch
den Zylinderkopf geführt sind. Die Anordnung von Halteglied und Kontakten einerseits
und der Schaltfahne, die vorzugsweise aus einem Abschnitt verhältnismäßig dünner
Metallfolie besteht, andererseits werden selbstverständlich so getroffen, daß die
Schaltfahne durch den Verbrennungsdruck von den Kontakten abgehoben bzw. an diese
angelegt wird. Die Verbindung von Halteglied und Öffnungs- und Schließkontakt sowie
die Flächennormale der Schaltfahne liegen dazu in der Regel in Richtung der Verbrennungsdruckwelle.
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Im Rahmen der Erfindung besteht ferner die besonders vorteilhafte
Möglichkeit, in einfacher Weise auch Temperatureinflüsse zu erfassen. Dazu kann
zunächst
selbstverständlich ein Temperaturfühler, beispielsweise in Form eines Therrnoelements
im Brennraum angeordnet werden. Eine unmittelbare Berücksichtigung der Temperatureinflüsse
bei der Verbrennungsdruckmessung kann in besonders vorteilhafter Weise dadurch erreicht
werden, daß das halteglied und/oder die Schaltfahne aus einem Bimetallglied bestehen.
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Die temperaturabhängige Verbiegung des Bimetallgliedes führt unmittelbar
zu einer Verstellung der Schaltpunkte und damit zu einer Berücksichtigung der Temperatureinflüsse
bei der Messung des Verbrennungsdrucks.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeit für den Meßgeber
besteht darin, daß dieser eine durch einen Durchlaßkanal mit dem Brennraum verbundene
Ausnehmung und eine in der Ausnehmung beweglich angeordnete und elektrisch leitende
Prüfmasse aufweist, wobei die Prüfmasse in einer Ruhestellung auf der Mündung des
Durchlaßkanals in der Ausnehmung aufliegt und in einer Arbeitsstellung von der Mündung
abgehoben ist, und wobei in Ruhe- und/oder Arbeitsstellung durch die Prüfmasse ein
Öffnungs- bzw.
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Schließkontakt betätigbar ist. Während bei der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform die Rückstellung des Schaltgebers durch die Elastizität der Schaltfahne
erfolgt, beruht die Rückstellung bei der hier beschriebenen Ausführungsform darauf,
daß die Prüfmasse aufgrund ihrer eigenen Schwere in die Ruhestellung zurück gelangt.
Die Prüfmasse besteht vorzugsweise aus einer Kugel aus Stahl oder einem anderen
entsprechend beständigen Material, wobei allerdings nur mäßige Anforderungen hinsichtlich
chemischer und thermischer Beständigkeit gestellt werden, weil die Prüfmasse in
der Ausnehmung verhältnismäßig gut abgeschirmt ist. Im übrigen entspricht die Funktion
dieser Ausführungsform im wesentlichen der vorstehend beschriebenen, mit Schaltfahne
arbeitenden, wobei selbstverständlich gleichfalls die Kontakte durch entsprechend
isolierte Meßleitungen mit der Anzeigeeinrichtung verbunden sind.
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Bei der zuletzt beschriebenen Ausführungsform besteht gleichfalls
die Möglichkeit, den Einfluß der Temperatur unmittelbar in die Messung des Verbrennungsdrucks
eingehen zu lassen. Dazu sieht die Erfindung vor, daß
die Ausnehmung
durch eine mit dem Durchlaßkanal versehene Bimetallscheibe abgeschlossen ist.
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Die vorstehend im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsformen
des Meßgebers erläuterten Bimetallelemente können gleichzeitig auch als Temperaturwarmgeber
eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang ist auf folgendes hinzuweisen: Ein den
Meßgeber auslösender Verbrennungsdruck besteht üblicherweise nur jeweils während
des Verbrennungstakts im entsprechenden Brennraum. Folglich erhält das Anzeigeinstrument
normalerweise ein pulsierendes Signal.
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Durch entsprechende Auslegung der Bimetallelemente kann ohne weiteres
erreicht werden, daß deren temperaturabhängige Verbiegung die Schaltpunkte der Schaltglieder,
also der Schaltfahne bzw. der Prüfmasse, derart verlagert, daß ein Signal von wesentlich
verändertem zeitlichem Verlauf oder gar ein konstantes Signal an der Anzeigeeinrichtung
auftreten und zur Auslösung einer Warneinrichtung herangezogen werden können. In
diesem Zusammenhang kann es sich auch als zweckmäßig erweisen, den Bimetallelementen
durch entsprechende Prägung eine Schnappeigenschaft zu verleihen.
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Die Anordnung eines erfindungsgemäßen Meßgebers im Brennraum eines
Verbrennungsmotors gestaltet sich besonders einfach, wenn der Meßgeber in einer
Montagehülse angeordnet und die Montagehülse in eine Bohrung des Zylinderkopfes
des Verbrennungsmotors eingesetzt, beispielsweise eingeschraubt oder eingekittet
ist. Meßleitungen können in einfacher Weise im Inneren der Montagehülse isoliert
nach außen geführt werden. Diese Möglichkeit bietet sich insbesondere bei Neumotoren
an, die von vorn herein mit einer entsprechenden Bohrung versehen werden können.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Meßgeber in eine Zündkerze oder einen
Einspritzdüsenkörper oder dgl. einzusetzen, wobei gleichfa-lls ohne weiteres die
Möglichkeit besteht, Meßleitungen isoliert, beispielsweise durch den Isolierkörper
einer Zündkerze hindurch, nach außen zu führen.
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Diese Möglichkeit empfiehlt sich insbesondere, wenn die Anbringung
einer
zusätzlichen Bohrung für den Meßgeber nicht möglich ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele
darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 in stark vereinfachter
Darstellung einen Querschnitt durch einen Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors
mit Einrichtung zur Funktionsprüfung des Verbrennungsmotors, Figur 2 den Meßgeber
der Einrichtung gemäß Figur 1, Figur 3 eine andere Ausführungsform des Gegenstands
der Figur 2.
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Die Figur 1 zeigt zunächst in stark vereinfachter Darstellung einen
Querschnitt durch einen Verbrennungsmotor mit Motorblock 1, Kolben 2, Zylinderkopf
3 und in den Zylinderkopf 3 eingeschraubter Zündkerze 4.
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Mit der Zündkerze 4 ist ein Meßgeber 5 für die betriebsmäßige Überwachung
des Verbrennungsdrucks im Brennraum 6 verbunden. Der Meßgeber 5 ist über eine Meßleitung
7 mit einer neben dem Motor angeordneten Anzeigeeinrichtung 8 verbunden.
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Die Funktion des - nachfolgend im einzelnen erläuterten - Meßgebers
5 beruht grundsätzlich auf der Messung des bei der Verbrennung im Brennraum 6 herrschenden
Verbrennungsdrucks. Dazu ist der Meßgeber 5 als Schaltgeber ausgebildet, der in
Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf des Verbrennungsdrucks Öffnungs- bzw. Schließkontakte
betätigt, so daß die Anzeigeeinrichtung 8 entsprechende Signal impulse erhält. Die
Signal impulse können im einfachsten Fall zur Ansteuerung einer Leuchtanzeige 9
oder in anderer geeigneter Weise umgesetzt werden.
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In Figur 2 ist in vergrößerter Darstellung der andeutungsweise in
Figur 1 wiedergegebene Meßgeber 5 dargestellt. Der Meßgeber 5 ist mit der Zündkerze
4, und zwar selbstverständlich an deren dem Brennraum 6 zugewandter
Seite,
angeordnet. Im einzelnen besteht der Meßgeber 5 aus einem verhältnismäßig starren
metallischen Halteglied 10, das über das Einschraubgewinde 11 der Zündkerze 4 mit
dem Zylinderkopf 3 als Masse elektrisch verbunden ist. Mit dem Halteglied 10 ist
eine Schaltfahne 12 aus dünnem Blech aus einem gegenüber den im Brennraum 6 herrschenden
Bedingungen chemisch und thermisch beständigen Metall elektrisch leitend verbunden.
Am Isolierkörper 13 der Zündkerze 4 und damit gegenüber dem Halteglied 10 isoliert
sind ein Öffnungskontakt 14 und ein Schließkontakt 15 angeordnet, an denen die durch
den Isolierkörper 13 druckbeständig hindurchgeführten Meßleitungen 7 elektrisch
angeschlossen sind.
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Die Anordnung ist so getroffen, daß die Verbindung zwischen dem Halteglied
10 einerseits und den Kontakten 14, 15 andererseits sowie-die Flächennormale der
Schaltfahne 12 im wesentlichen in der Ausbreitungsrichtung der bei der Verbrennung
im Brennraum 6 auftretenden Druckwelle liegen. In der dargestellten Ruhestellung
liegt die Schaltfahne 12 elektrisch leitend am Öffnungskontakt 14 an. Die Anordnung
ist so getroffen, daß bei normalen Betriebsbedingungen die Schaltfahne 12 durch
den Verbrennungsdruck zwar vom Öffnungskontakt 14 abgehoben wird, den Schließkontakt
15 jedoch nicht erreicht. Wenn die Schaltfahne 12 betriebsmäßig am Öffnungskontakt
14 verbleibt oder bis an den Schließkontakt 15 gelangt, so indiziert dies einen
zu niedrigen bzw. zu hohen Verbrennungsdruck, was durch Aufleuchten der entsprechenden
Leuchtanzeige 9 angezeigt wird.
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Während beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 der Meßgeber 5 gleichsam
in eine Zündkerze 4 integriert ist, so daß leicht auch ein Einsatz bei nicht besonders
vorbereiteten Motoren möglich ist, zeigt die Figur 3 eine andere Ausführungsform,
bei der der Meßgeber 5 einerseits anders aufgebaut und andererseits in einer besonderen
Montagehülse 16 angeordnet ist, die unabhängig von der Zündkerze 3 in eine eigene
Bohrung des Zylinderkopfes 3 eingeschraubt ist. Bei dieser Ausführungsform weist
der Meßgeber 5 im wesentlichen eine Ausnehmung 17 auf, die durch einen Durchlaßkanal
18 mit dem Brennraum 6 in Verbindung steht, im übrigen aber selbstverständlich
allseits
geschlossen ist. Innerhalb der Ausnehmung ist als Prüfmasse 19 eine Stahlkugel von
ca. 2 mm Durchmesser frei beweglich anyeordnet. Die aufgrund entsprechenden Anordnung
in Ruhestellung auf der Mündung des Durchlaßkanals 18 in der Ausnehmung 17 aufliegt.
Beim Betrieb des Motors schlägt der Verbrennungsdruck durch den Durchlaßkanal 18
in die Ausnehmung 17 durch und hebt die Prüfmasse 19 aus ihrer - in Figur 3 dargestellten
- Ruhelage ab. Die Abmessungen sind so gewählt, daß die Prüfmasse 19 unter der Wirkung
des bei ordnungsgemäßen Betriebsbedingungen herrschenden Verbrennungsdrucks in die
Arbeitsstellung gelangt, in der sie den an der Oberseite der Ausnehmung 17 isoliert
angeordneten Arbeitskontakt 20 elektrisch leitend mit der Montagehülse 16 und damit
mit Masse verbindet. Dabei wird der Stromkreis über die isoliert durch die Montagehülse
16 herausgeführte Meßleitung 7 geschlossen, so daß an der Anzeigeeinrichtung ein
entsprechend dem zeitlichen Verlauf des Verbrennungsdrucks impulsförmiges Signal
erscheint.
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Die Ausnehmung 17 ist bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
durch eine Bimetallschnappscheibe 21 abgeschlossen, in der der Durchlaßkanal 18
verläuft. Die Bimetallschnappscheibe 21 ist so angeordnet, daß sie sich bei einer
unzulässigen Temperaturerhöhung nach oben durchwölbt. Damit ergibt sich folgende
Funktion des dargestellten Meßgebers 5: Bei zu niedrigem Verbrennungsdruck wird
die Prüfmasse 19 nicht weit genug angehoben, um den Arbeitskontakt 20 zu betätigen,
so daß durch Ausbleiben einer entsprechenden Anzeige an der Anzeigeeinrichtung auf
diesen Mangel hingewiesen wird. Bei ordnungsgemäßem Verbrennungsdruck wird die Prüfmasse
19 bei jedem Verbrennungstakt soweit angehoben, daß der Arbeitskontakt 20 betätigt
wird und folglich eine impulsförmige Anzeige auftritt. Unzulässige Temperaturerhöhung
führt schließlich dazu, daß die Bimetallscheibe 21 die Prüfmasse 19 beständig am
Arbeitskontakt 20 festhält, und wird demgemäß durch eine Daueranzeige signalisiert.
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Im Rahmen der Erfindung besteht, wie bereits angedeutet,- ohne weiteres
die Möglichkeit, nur in einzelnen oder auch in sämtlichen Zylindern einen vorstehe
beschriebenen Meßgeber anzuordnen und mit einer entsprechenden Anzeigeeinrictltung
zu verbinden. Eine Überwachung sämtlicher Zylinder empfiehlt sich ganz besonders
bei Motoren, die sehr hohen Betriebsbelastungen unterworfen und/oder sehr aufwendig
sind, insbesondere also bei Motoren, die in Renn- bzw. Rallye-Fahrzeugen eingesetzt
werden. Durch die Überwachung jedes einzelnen der Zylinder läßt sich erreichen,
daß ein Defekt zuverlässig signalisiert wird, bevor er zu schwerwiegenden Folgen
führen kann. Diese zuverlässige Überwachung beruht daraul daß erfindungsgemäß Störungen
nicht erst anhand sekundärer Folgen wie Erhöhung von Öl- bzw. Kühlwassertemperatur
oder Öldruckabfall festgestellt sondern unmittelbar und zum frühestmöglichen Zeitpunkt
durch Überwachung des Verbrennuri(Jsu ablaufes selbst erfaßt werden. Selbst geringfügige
Kompressionsabfälle, Temperaturanstiege usw. können damit zuverlässig erfaßt werden,
so daß gravierende Motorenschäden vermieden werden können.